Какие элементы содержатся в человеке

Человек – уникальное существо. За долгие тысячелетия существования мы постоянно менялись. Но современным ученым так и не удалось полностью изучить наш организм. Однако кое-что все же удалось выяснить. Так, ученые смогли определить химически состав человека, узнать строение органов, систем, определить присущие потребности.

Из чего мы состоим?

С химической точки зрения в нашем организме сосредоточена почти вся таблица химических элементов Менделеева. Все эти вещества поступают с пищей, воздухом, а сами они не вырабатываются в организме. Если нарушается химический состав человека, то происходят сбои в работе тех или иных органов, систем: не растут зубы, волосы, повышается ломкость костей, нарушается обмен веществ, начинают одолевать различные болезни.

Группы веществ

Элементы химического состава человека делят на две большие группы минеральных веществ, а именно: микроэлементы, макроэлементы. К последним относятся калий, кальций, фосфор, магний, хлор и сера, а также другие вещества.

Потребности в микроэлементах ограничивается в небольших количествах. К этим веществам относят железо, йод, цинк, медь, фтор, кобальт, марганец.

Каждое вещество, входящее в химический состав человека, имеет свою функцию и предназначение, и должно поступать в определенном количестве в организм с пищей. При недостатке элементов происходят самые разные сбои в нормальном функционировании организма.

Калий

Для поддержания водно-солевого баланса человеческому организму необходим калий. Он также отвечает за питание клеток, укрепление иммунитета, оказывает воздействие на функционирование мышечной, сердечной и нервной систем. Чтобы восполнить химический состав организма человека калием, необходимо включить в рацион продукты, богатые этим веществом, а именно: бананы, авокадо, фасоль, горох, картофель, петрушку, изюм.

Йод

Йод оказывает тонизирующее действие на мышцы, обеспечивает нормальное функционирование щитовидной железы, принимает участие в метаболизме, способствует укреплению иммунитета, а также положительно влияет на нервную систему. В большом количестве этот микроэлемент содержится в водорослях, морской капусте, морепродуктах, в мясе и твороге, свекле, яблоках, винограде и сливах.

Кальций

Входящий в химический состав организма человека кальций отвечает за развитие зубов, укрепляет костную ткань, обеспечивает нормальное функционирование сердечной мышцы, участвует в свертываемости крови. Кальций в больших количествах содержится в лососевых, зеленых овощах, белом хлебе, молочных продуктах, сардинах.

Магний

Входящий в химический состав клеток организма человека магний оказывает воздействие на мышечные, нервные, энергетические функции. Этот элемент необходим для нормального развития костной структуры. При недостатке магния возникает хроническая усталость.

Магний содержится в бананах, отрубях, коричневом рисе, семечках, орехах, горохе.

Фосфор

Нормальное усвоение жиров, углеводов, протеина, происходит при участии фосфора. Это вещество необходимо для нормального развития костей. Если химический состав клетки человека будет нарушен, и фосфора будет поступать в недостаточном количестве, то будет развиваться слабость, боль в костях, раздражительность, беспокойство. Фосфор содержится в большом количестве в молоке, мясе, рыбе, картофеле.

Железо

При анализе химического состава крови человека ученые выявили, что в ней присутствует железо. Оно участвует в кровообразовании, обеспечивает клетки кислородом. При дефиците железа развивается усталость, железодефицитная анемия.

Чтобы восполнить железо в организме, необходимо включить в рацион печень, отруби, чернослив, хлеб из муки грубого помола, гранаты, шоколад.

Цинк

Цинк играет не последнюю роль в развитии половой системы, оказывает влияние на функционирование органов пищеварения, а также принимает участие в реализации гормональных функций, способствует заживлению ран. Больше всего цинка содержится в грибах, орехах, устрицах и семечках.

Селен

В небольших количествах нашему организму нужен селен. Этот элемент защищает клетки от разрушения, предотвращает раннее старение, замедляет развитие раковых клеток. Селен в больших количествах содержится в кокосах, морепродуктах, семечках.

Состав человеческого тела

Ученые смогли точно установить, из чего состоит человек. Химический состав нашего тела, в соответствии с данными анализа ученого-биолога Дж. Хенсона, входит 375 млн атомов водорода, 132 млн атомов кислорода и 85 млн атомов углерода, трех молекул молибдена и одного атома кобальта. Такое набор мы имеем в момент рождения. В течение жизни меняется соотношение химических веществ, увеличивается их количество, появляются новые элементы, такие как металлы, золото.

Ученый провел необычные подсчеты. В результате анализа Хенсону удалось выяснить, что в человеческом организме содержится столько кислорода, что его будет достаточно для заполнения объема, равного шести слонам, углерода – 16 килограмм. Водорода содержится столько, что можно заполнить емкость, эквивалентную объему кита, а азота – 400 литров.

Человеческое тело способно стать источником дохода. По подсчетам ученого, если среднестатистический человек на протяжении своей жизни будет сохранять ногти, то он сможет извлечь из них золото, стоимостью около десятой цента США.

Кроме золота, в теле содержится более 60 элементов. Если их выделить в чистом виде и продать на рынке, то можно заработать около пары тысяч долларов.

Другие вещества

Организм человека содержит много кислорода. Его мы получаем не только из воздуха, но и из воды. Это самый важный компонент тела, без которого невозможна жизнь.

На втором месте по количеству стоит углерод. В организме человека его содержится огромное количество. Его больше только в нефти и угле.

Примерно 10 % нашего тела – это водород. Он поступает в организм с водой, воздухом. Три процента состава – азот.

Основной частью аминокислот, коферментов является сера. Это вещество с неприятным видом и запахом содержится в человеческом организме в достаточно больших количествах. Помимо серы, мы еще состоим из другого яда – хлора, а точнее, хлорида. Этот элемент содержится в плазме крови.

Интересные факты

При недостатке любого вещества человеческий организм перестает нормально функционировать. Так, даже сотая доля нехватки железа может привести к развитию анемии. В норме этого элемента у мужчин содержится больше, чем у женщин. Это связано не только с питанием, но и с физиологией организма: во время менструации женщины теряют значительную долю железа.

Ученые все еще не до конца уверены, что фтор необходим человеческому организму. Этот элемент содержится в большом количестве в зубах, костях. Но фтор, как и селен, очень токсичен при передозировке.

Авторы: Кукушкин Ю.Н.

Введение

Многим химикам известны крылатые слова,сказанные в 40-х годах текущего столетия немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак, что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической системы. Вначале эти слова были встречены далеко не с единодушным одобрением. Однако, по мере того как разрабатывались всё более точные методы аналитического определения химических элементов, учёные всё больше убеждались в справедливости этих слов.

Если согласиться с тем, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то это должно быть справедливо и для живого организма. Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствуют питание и потребляемая вода. В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определённом уровне (табл. 1). Столько же химических элементов должно ежесуточно выводиться из организма, поскольку их содержания находятся в относительном постоянстве.

Предположения некоторых учёных идут дальше.Они считают, что в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определённую биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако, по мере того как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль всё большего числа химических элементов.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% — на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I, F, Se. Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нём содержится (в граммах): кальция — 1700, калия — 250, натрия — 70, магния — 42, железа — 5, цинка — 3. Учёные договорились, что если массовая доля элемента в организме превышает 10 –2%, то его следует считать макроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет 10 –3 –10 –5 % Если содержание элемента ниже 10 –5 %,, его считают ультрамикроэлементом. Конечно, такая градация условна. По ней магний попадает в промежуточную область между макро- и микроэлементами.

Жизненно необходимые элементы

Несомненно, время внесёт коррективы в современные представления о числе и биологической роли определённых химических элементов в организме человека. В данной статье мы будем исходить изтого, что уже достоверно известно. Роль макроэлементов, входящих в состав неорганических веществ, очевидна. Например, основное количество кальция и фосфора входит в кости (гидроксофосфат кальция Ca10(PO4)6(OH)22), а хлор в виде соляной кислоты содержится в желудочном соке.

Микроэлементы вошли в отмеченный выше ряд 22 элементов, обязательно присутствующих в организме человека. Заметим, что большинство из них — металлы, а из металлов больше половины являются d-элементами. Последние в организме образуют координационные соединения со сложными органическими молекулами. Так, установлено, что многие биологические катализаторы — ферменты содержат ионы переходных металлов (d-элементов). Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо — в 70, медь — в 30, а цинк — более чем в 100. Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма. Характерным признаком необходимого элемента является колоколообразный вид кривой доза (n) — ответная реакция (R, эффект) (рис. 1).

При малом поступлении данного элемента организму наносится существенный ущерб. Он функционирует на грани выживания. В основном это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит данный элемент. При повышении дозы элемента ответная реакция возрастаети достигает нормы (плато). При дальнейшем увеличении дозы проявляется токсическое действие избытка данного элемента, в результате чего не исключается и летальный исход. Кривую на рис. 1 можно трактовать так: всё должно быть в меру и очень мало и очень много вредно. Например, недостаток в организме железа приводит к анемии, так как оно входит в состав гемоглобина крови, а точнее, его составной части — гема. У взрослого человека в крови содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности в организме происходят постоянный распад и синтез гемоглобина. Для восполнения железа, потерянного с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточное поступление в организм с пищей в среднем около 12 мг этого элемента. Связь анемии с недостатком железа была известна врачам давно, так как ещё в XVII веке в некоторых европейских странах при малокровии прописывали настой железных опилок в красном вине. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним связан сидероз глаз и лёгких — заболевания, вызываемые отложением соединений железа в тканях этих органов. Главный регулятор содержания железа в крови — печень.

Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительных тканях. Кроме того, считают, что дефицит меди служит одной из причин раковых заболеваний. В некоторых случаях поражение лёгких раком у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастным снижением содержания меди в организме. Однако избыток меди в организме приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Человеку причиняют вред лишь относительно большие количества соединений меди. В малых дозах их используют в медицине как вяжущее и бактериостазное (задерживающее рост и размножение бактерий) средство. Так, например, сульфат меди (II) применяют при лечении конъюктивитов в виде глазных капель (25%-ный раствор), а также для прижиганий при трахоме в виде глазных карандашей (сплав сульфата меди(II), нитрата калия, квасцов и камфоры). При ожогах кожи фосфором проводят её обильное смачивание 5%-ным раствором сульфата меди (II).

Жизненно необходимые элементы натрий и калий функционируют в паре. Надёжно установлено, что всем живым организмам присуще явление ионной асимметрии — неравномерное распределение ионов внутри и вне клетки. Например, внутри клеток мышечных волокон, сердца, печени, почек имеется повышенное содержание ионов калия по сравнению с внеклеточным. Концентрация ионов натрия, наоборот, выше вне клетки, чем внутри её. Наличие градиента концентраций калия и натрия — экспериментально установленный факт. Теперь исследователей волнует вопрос о природе калий-натриевого насоса и его функционировании (см. статьи В.А. Опритова Электричество в жизни животных и растений: Соросовский Образовательный Журнал.1996. № 9. С. 40–46; В.Ф. Антонова Биофизикамембран: Там же. 1997. № 6. С. 14–20). Интересно, что по мере старения организма градиент концентраций ионов калия и натрия на границе клеток падает. При наступлении смерти концентрации калия и натрия внутри и вне клетки сразу же выравниваются.

Биологическая функция других щелочных металлов в здоровом организме пока неясна. Однако имеются указания, что введением в организм ионов лития удаётся лечить одну из форм маниакально-депрессивного психоза. Приведём табл. 2, из которой видна важная роль других жизненно необходимых элементов.

Примесные элементы

Имеется большое число химических элементов, особенно среди тяжёлых, являющихся ядами для живых организмов, — они оказывают неблагоприятное биологическое воздействие. В табл. 3 приведены эти элементы в соответствии с Периодической системой Д.И. Менделеева.

За исключением бериллия и бария, эти элементы образуют прочные сульфидные соединения. Существует мнение, что причина действия ядов связана с блокированием определённых функциональныхгрупп (в частности, сульфгидрильных) протеина или же с вытеснением из некоторых ферментов ионов металлов, например меди и цинка. Элементы, представленные в табл. 3, называют примесными. Их диаграмма доза — эффект имеет другую форму по сравнению с жизненно необходимыми (рис. 2). До определённого содержания этих элементов организм не испытывает вредного воздействия, но при значительном увеличении концентрации они становятся ядовитыми.

Встречаются элементы, которые в относительно больших количествах являются ядами, а в низких концентрациях оказывают полезное влияние. Например, мышьяк — сильный яд, нарушающий сердечно-сосудистую систему и поражающий почки и печень, в небольших дозах полезен, и врачи прописывают его для улучшения аппетита. Кислород, необходимый человеку для дыхания, в высокой концентрации (особенно под давлением) оказывает ядовитое действие.

Из этих примеров видно, что концентрация элемента в организме играет весьма существенную, а порой и катастрофическую роль. Среди примесных элементов имеются и такие, которые в малых дозах обладают эффективными лечащими свойствами. Так, давно было замечено бактерицидное (вызывающее гибель различных бактерий) свойство серебра и его солей. Например, в медицине раствор коллоидного серебра (колларгол) применяют для промывания гнойных ран, мочевого пузыря, при хронических циститах и уретитах, а также в виде глазных капель при гнойных конъюктивитах и бленнорее. Карандаши из нитрата серебра применяют для прижигания бородавок, грануляций. В разбавленных растворах (0,1–0,25%) нитрат серебра используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек, а также в качестве глазных капель. Учёные считают, что прижигающее действие нитрата серебра связано с его взаимодействием с белками тканей, что приводит к образованию белковых солей серебра — альбуминатов. Серебро пока не относят к жизненно необходимым элементам, однако уже экспериментально установлено его повышенное содержание в мозгу человека, в железах внутренней секреции, печени. В организм серебро поступает с растительной пищей, например с огурцами и капустой.

В табл. 4 приведена Периодическая система, в которой охарактеризована биоактивность отдельных элементов [1]. Оценка основана на проявлении симптомов дефицита или избытка определённого элемента. Она учитывает следующие симптомы (в порядке возрастания эффекта): 1 — снижение аппетита; 2 — потребность в изменении диеты; 3 — значительные изменения состава тканей; 4 — повышенная повреждаемость одной или нескольких биохимических систем, проявляющаяся в специальных условиях; 5 — недееспособность этих систем в специальных условиях; 6 — субклинические признаки недееспособности; 7 — клинические симптомы недееспособности и повышенная повреждаемость; 8 — заторможенный рост; 9 — отсутствие репродуктивной функции. Крайней формой проявления дефицита или избытка элемента в организме является смертельный исход. Оценка биоактивности элемента сделана по девятибальной шкале в зависимости от характера симптома, для которого выявлена специфичность.

При такой оценке наиболее высоким баллом характеризуются жизненно необходимые элементы.

Заключение

Выявление биологической роли отдельных химических элементов в функционировании живых организмов (человека, животных, растений) — важная и увлекательная задача. Минеральные вещества, как и витамины, часто действуют как коферменты при катализе химических реакций, происходящих всё время в организме.

Усилия специалистов направлены на раскрытие механизмов проявления биоактивности отдельных элементов на молекулярном уровне (см. статьи Н.А. Улахновича Комплексы металлов в живых организмах: Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 8. С. 27–32; Д.А. Леменовского Соединения металлов в живой природе: Тамже. № 9. С. 48–53). Нет сомнения, что в живых организмах ионы металлов находятся в основном в виде координационных соединений с биологическими молекулами, которые выполняют роль лигандов. В статье из-за ограниченности объёма приведён материал, относящийся главным образом к организму человека. Выяснение роли металлов в жизнедеятельности растений, несомненно, окажется полезным для сельского хозяйства. Работы в этом направлении широко ведутся в лабораториях различных стран.

Весьма интересен вопрос о принципах отбора природой химических элементов для функционирования живых организмов. Не вызывает сомнения, что их распространённость не является решающим фактором. Здоровый организм сам способен регулировать содержание отдельных элементов. При наличии выбора (пищи и воды) животные инстинктивно могут вносить лепту в это регулирование. Возможности растений в данном процессе ограничены. Сознательное регулирование человеком содержания микроэлементов в почве сельскохозяйственных угодий также одна из важных задач, стоящих перед исследователями. Знания, полученные учёными в этом направлении, уже оформились в новую отрасль химической науки — бионеорганическую химию. Поэтому уместно напомнить слова выдающегося учёного XIX века А. Ампера: Счастливы те, кто развивает науку в годы, когда она не завершена, но когда в ней уже назрел решительный поворот. Эти слова могут быть особенно полезны тем, кто стоит перед выбором профессии.

Литература

1.Ершов Ю.А., Плетенёва Т.В. Механизмы токсического действия неорганических соединений. М.: Медицина, 1989.
2.Кукушкин Ю.Н. Соединения высшего порядка. Л.:Химия, 1991.
3.Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас. М.: Высш. шк.,1992.
4.Лазарев Н.В. Эволюция фармакологии. Л.: Изд-воВоен.-мед. акад., 1947.
5. Неорганическая биохимия. М.: Мир, 1978. Т. 1, 2 /Под ред. Г. Эйхгорна.
6. Химия окружающей среды / Под ред. Дж.О. Бокриса. М.: Химия, 1982.
7.Яцимирский К.Б. Введение в бионеорганическую химию. Киев: Наук. думка, 1973.
8.Kaim W., Schwederski B. Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life. Chichester: JohnWile and Sons, 1994. 401 p.

Об авторе:
Юрий Николаевич Кукушкин, доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой неорганической химии Санкт-Петербургского государственного технологического института, заслуженный деятель науки РФ, лауреат премии им. Л.А. Чугаева АН СССР, академик РАЕН. Область научных интересов — координационная химия и химия платиновых металлов. Автор и соавтор более 600 научных статей, 14 монографий, учебников и научно-популярных книг, 49 изобретений.

опубликовано 03/12/2009 11:55
обновлено 13/05/2011